LTE-U专有网络在中小型制造企业中的应用

丰丙金 马锴

（1.天津荣联汇智智能科技有限公司 天津市 300111 2.阿里巴巴达摩院(杭州)科技有限公司 浙江省杭州市 311121）

随着科技的发展，越来越多的设备和系统应用到传统中小型制造行业，传统中小型制造行业迫切面临着数字化转型的需求，本文就在转型数字化的过程中，大家关注的网络传输层的基础建设方面的问题提出一些新的见解和分析。

1 企业传统私网的现状

中小型制造企业的传统专有网络建设中，建设周期长，扩容和搬迁需要对网络进行改造或者重建，无线Wi-Fi 信号质量差、基站切换时间长、覆盖半径小、带宽不高，工厂特有的电磁环境、设备布局等影响终端的接入效果，使它不能很好支持移动VoIP 等要求高的应用，Wi-Fi 具有的比较大的安全隐患，其安全隐患来源于在两个方面：一方面是来源于网络的“攻击”，另一方面来源于网络的“陷阱”[1]。Wi-Fi 的安全隐患主要是：

（1）恶意钓鱼AP；

（2）访问攻击；

（3）Dos 和DDos 攻击，数据传输安全性方面也无法满足需要。当前企业数字化转型对移动性设备联网的应用越来越广泛，传统专网无线Wi-Fi 性能严重制约企业数字化转型的需求。

企业在数字化转型前期，MES 系统成为标配，而MES 系统对接的生产制造环节，问题领域更加复杂，生产制造不像财务等方面标准化程度高，概念模型化程度高，它的运行环境需要更多的依赖于各种PLC 控制的自动化设备，其实还需要大量没有数字化、计算化、连入网络的部分配合。而MES 系统涉及的生产环节，很多操作人员的基本素质根据行业不同差异性较大，总体上信息化能力不如ERP 环节的人员。因为MES 系统非标的特点很显著，难以形成规模化效应显著降低成本。[2]

一些信息化技术，比如平板电脑，因为可以触屏操作，又和智能手机的操作方式接近，可以降低信息化使用的能力要求，对各个工位进行信息化提供了良好的条件。AR/VR 等技术也可以起到类似作用。[2]

采用无线网络可以使设备联网摆脱线缆的约束，使得联网更加简单，布局更灵活。对于AGV 小车、智能叉车、手持移动终端、穿戴设备等移动物体，对移动网络通信要求越来越高，Wi-Fi 之类的无线宽带技术存在一定的性能问题，无法满足当前企业在这方面的应用。[2]

2 LTE-U专有网络技术在企业私有网络中的应用及特点

LTE-U 的全称是LTE in Unlicensed spectrum，即非授权频谱上的LTE。该技术将LTE 部署到非授权频谱，并采用标准LTE 空口协议完成通信。

采用LTE-U技术，就可以利用集中调度、干扰协调、HARQ重传、CA 载波聚合等技术，可以获得更好的鲁棒性和频谱效率，提供更大的覆盖范围和更好的用户体验。LTE-U 可以将授权频段作为主载波，终端跟基站可以在授权频段上建立无线资源控制连接，通过载波感知获取当前空闲的非授权频段资源，实现授权频段和非授权频段的载波聚合，从而有效提升系统的性能和吞吐量，解决室内数据流量的增长需求和频谱匮乏问题。[3]

LTE-U 专有网络技术能够满足中小型制造企业对网络的大带宽、低时延、高安全性的要求。具有1Gbps 极限高速，支持海量用户多并发，单小区500+用户同时在线。非常低的时延，极高可用性，移动性深度适配，对快速移动的AGV 车辆联网需求完全满足。

LTE-U 专有网络采用5.8GHz 工业频段部署蜂窝网络，与运营商公网最大的区别为，网络是企业私有资产，企业对网络拥有绝对掌控权，网络设备独立运行，不与其他企业共享。数据在本地产生，在本地处理，不出企业园区，不需要担心生产和管理经验流失。网络建设性价比高，一次性投入，后期不再需交流量费。运维方便，企业自己发卡鉴权，新开户和权限变更立即生效，不需等待运营商申请、审批繁琐流程。权限修改及时，企业自己掌握网络的操作权限，出现问题可随时介入，无需等待漫长的运营商报修流程。部署扩容灵活，企业根据自己的需求随时扩容或更改网络配置。

表1：LTE-U 专有网络与传统网络连接方式对比

图1：时延方差对比

图2：丢包率对比

图3：高延迟对比

图4：机台终端LTE-U 专网和Wi-Fi ping 服务器对比

图5：时延差点数图

如表1 所示，中小型制造企业内部部署LTE-U 专有网络和传统网络连接方式各项性能指标对比。

笔者在某一上市集团公司生产车间复杂电磁环境应用场景下Wi-Fi 和LTE-U 专有网络进行连接性能方面的测试，得到的测试对比如下：

通过图1、图2、图3 看出，从核心网后台分别ping 终端设备，相比较Wi-Fi，LTE-U 在时延方差、丢包率、高延迟有明显优势。

图4 为从机台数据采集服务端ping 终端的方式进行对比，上面为LTE-U 的连接方式，下面为Wi-Fi 的连接方式，在成功率、平均ping 用时、最长ping 用时方面明显得出LTE-U 专有网络要远远优于Wi-Fi 性能。

图5 对比LTE-U 专有网络和Wi-Fi 网络 连接的rtt 差点数,途中橙色为LTE-U 专有网络，蓝色为Wi-Fi 网络，对比结果显示，LTE-U 专有网络差点数明显少于Wi-Fi 网络。

通过在实际应用环境的不同无线连接方式的分析，我们可以直观看出LTE-U 专有网络在连接性能方面已经完全优于Wi-Fi 这一传统的无线连接方式，尤其是在复杂的电磁环境，移动终端对网络连接要求高的工业环境下，LTE-U 专有网络具有明显优势。

3 建设非授权频段LTE-U专有网络的原因

建设企业私网能够有效保证核心数据不会流出企业，重要的生产数据、财务数据等在企业内部安全传输，保证企业网络的安全与稳定。网络安全是任何信息化建设的基础，智能制造发展到当下，越来越多的企业在网络安全上投下巨资。5G 公有网络虽然可以通过网络切片方式建设私网，但它是一个虚拟的隔离方式，在安全的考虑、端到端的复杂度上都比较欠缺，很难做内网的部署。运营商的授权5G 频段在给企业应用时，所有信息传递必须经过核心网，这样的架构对于需要低时延、带宽闭环的企业网络场景并不合适，生产制造企业若将核心网系统放在场域外，在系统把控上缺乏控制权，一旦出现问题导致产线崩溃，对生产影响是致命的，后果将不堪设想。对于中小型制造企业，我们可以考虑的方案是核心网功能下沉到私网中，通过防火墙和运营商系统对接，这一方案在工厂里实施起来更现实。部署LTE-U 专有网络不需要进行复杂的综合布线设计、线路施工、设备安装、灵活性大大挺高，扩容、搬迁不需要再对网络进行大规模改造或者重建，大大降低成本、缩短工期。

LTE-U 专有网络满足中小型制造企业客户业务运营数据安全，希望对自己的网络自管控自运营的需求，适合中小型企业想尝试构建5G 应用，希望逐步分期建设，一次性不希望过多投入。同时也适合锐意进取的中小企业，希望能够提供足够轻量化、高品质的网络支撑。通用X86 服务器，适合企业当前已经有IT 设施，对老旧服务器利旧，可以实现项目合理化降低成本。助力企业快速数据化转型，借力网络能力及行业应用，提高生产与管理效率。

4 制造型企业在数字化转型方面对LTE-U专有网络的应用

早在 2012年，美国通用电气公司在提出「工业互联网」这个概念，工业互联网的三要素，是人、数据、机器。人和人的连接，就是传统的互联网；物和物（机器）之间的连接，就是近来发展迅速的物联网；而网络存在的核心，自然就是数据中蕴藏的巨大价值。可以看出，工业互联网其实并太多没有新的技术，更多的是架构的整合，从而把互联网中成熟的网络架构和技术移植到工业生产的应用中，用于效率的提升。[4]

网络是基础，即通过互联网，物联网等技术实现工业全系统的互联互通，促进工业数据的充分流动和无缝集成。数据是核心，即通过网络采集得到的工业生产全周期的海量数据，并进行大数据分析，形成基于数据的智能系统，实现机器弹性生产，运营管理优化，生产协同组织以及商业模式创新。[4]

图6：专网网络拓扑

传统的中小型制造型企业在不断向智能制造方面转型升级，LTE-U 专有网络技术的发展为传统制造业的智能制造迈向更高的台阶奠定了坚实基础。中小型制造企业结合本企业生产及管理特色，在LTE-U 网络应用场景方面可以提出自己的规划方向，并逐步落地实施：

（1）利用LTE-U 专有网络的高速传输数据特性，将待检测半成品零部件通过超高清工业摄像头拍摄的图片信息上传至云端进行图像识别及分析，实现缺陷实时检测与自动分拣，同时可有效记录待检测物品的瑕疵，为回溯缺陷原因提供数据分析基础。

（2）利用LTE-U 专有网络对数据传输的低时延性，打造远程诊断平台，异地专家通过PC、手机等平台收看直播视频，并给出语音指导。操作人员通过收听语音指导，进行操作，通过语音与专家进行交流。技术专家犹如身临现场一样掌握每一个细节，并通过实时的语音或文字消息指导现场拍摄者进行故障排除，既节省维护成本，也实现专家的技能复制，解决了技术专家紧缺的难题。

（3）利用LTE-U 专有网络构建一个贴近真实的全虚拟VR 工作环境，让员工置身其中，熟悉掌握新的工作技能，全程将有提示教程，“手把手”教会员工技术要领、注意事项等。员工需要实际参与操作技能培训过程，使用佩戴 VR 眼镜代替，双手可以自由操作练习，VR 眼镜将紧密结合实际设备、场景，通过LTE-U 网络给予全面的提示、介绍、引导及评判。

（4）利用LTE-U 专有网络低时延、高可靠的特性对AGV 的移动精准控制、群控协作、 智能调度更精准、数据回传将更流畅。AGV 将得以与海量物联网智能设备连接，助力柔性化制造、智能化生产、智慧化管理，满足制造、物流、巡检等领域智能搬运、仓储、自动化操作的应用需求。

（5）将智能工厂 PLC（含站点 PLC 及产线 PLC）软件化并与 MES、 SCADA、机器人协作调度等软件共同部署到私有云端，同时在自动化机械设备相应部件上加装LTE-U 通信模块，利用LTE-U 专有网络低时延、 高可靠等特性实现 I/O 模块、传送带、阀门、机器人等部件的无线接入，最终实现生产车间的集中化控制，智能工厂的柔 性化生产。

（6）在生产过程中，利用LTE-U 网络实现 PLC 之间、PLC 与厂内系统间的数据传输，在保证数据安全和实时性的同时，减少车间内布线成本，快速实现产线产能匹配，助力柔性制造。同时，将汇聚到 PLC 的数控机床、立体仓库、制造流水线 等设备的数据通过LTE-U 专有网络传输至大数据平台，对数据进行挖掘分析，协助企业对工艺、产能、能耗进行优化。

（7）利用LTE-U 专有网络优势，在企业厂区试点智能机器人巡检，部署智能感知系统，实现进出卡口、人流密集区域的车辆、人员的智能监控与识别跟踪、远距离目标自动发现等功能，将更多新技术、智能设备广泛应用于厂区的公共安全与治理。

5 LTE-U专有网络流程和方案

5.1 业务流程

作业模块：终端设备、作业计数器、无线终端、无线网络设备、ERP/MES/HR/WMS/OA 等系统。

作业流程：终端加工设备将作业计件数实时同步给作业计数器，连接无线终端通过无线网络传送到ERP/MES/WMS/HR/OA； ERP/MES/WMS/HR/OA 将数据通过无线网络同步给控制台看板；员工通过控制台看板监控生产进度、下发生产任务等。

业务类型：作业进度监控和下发、控制台远程控制、即时通信。

5.2 专网方案

网络方案：使用LTE-U 基站和轻量化核心网组建专用网络，替代传统Wi-Fi 网络，核心网采用主备方案，提升系统健壮性。

终端方案：使用LTE-U CPE 替代Wi-Fi 终端，两种形态的产品：工业级防护LTE-U CPE，通过以太网连接控制台看板；融合工业接口的LTE-U CPE，通过RS232 接口连接作业计数器。移动终端、AGV 等直接通过通信模组和专网基站建立连接。

5.3 LTE-U专有网络拓扑结构

LTE-U 专有网络结构简单，部署和实施周期短，实施费用低，在新厂建设尤其老厂改造网络项目中能够不影响其他设备设施的运行，为企业改造网络带来极大的便捷性，在一些中小企业厂区搬迁等情况下，该套设备复用性高，不需要重复投资，极大降低企业应用成本。专网网络拓扑如图6 所示。

6 结语

中小型制造企业在为了获取更快的网络连接上，以往最先想到的是提升网络容量，即增加网速。但这只是基础的提升，在需要面对千倍的数据挑战，并尽可能的降低成本上。企业需要使用网络服务更多的联网设备，这就需要充分利用更多的频谱，通过LTE-U专有网络解决这个问题。

LTE-U 专有网络的思路可以简单的理解为充分利用好频段中未被监管机构正式授权的部分，有效的提高其利用率。提升容量，增加带宽，提高峰值速度不只是我们所追求的终极目标，更要通过改变企业应用的无线的角色，智能地用无线技术连接万物，为中小型企业在数字化转型过程中以及今后的应用中带来新的服务。